一種用于地面散射特性分析的同步測試系統

徐敏杰,張永棟,翟嘉琪,張 宇,陰 鵬

(西北核技術研究所，西安 710024)

一種用于地面散射特性分析的同步測試系統

徐敏杰,張永棟,翟嘉琪,張 宇,陰 鵬

(西北核技術研究所，西安 710024)

基于G語言開發環境，以激光測距傳感器、功率計探頭作為外部采集設備研制了一套用于地面散射特性分析的同步測試系統;該系統在實時同步采集輻射場功率信息與接收天線高度信息的基礎上，給出地面散射影響程度，具有同步精度高、自動化快速測量等優點;為驗證所研制的測試系統的可靠性，開展小尺度地面散射測試實驗;實驗表明，該系統獲取的實驗數據與理論計算數據基本一致。

地面散射；同步；測試系統

0 引言

在外場開展微波源系統等效輻射功率和總功率測試時[1]，需開展地面散射測試給出接收天線架設高度以減小地面散射的影響。地面散射測試,通常利用接收天線、功率計探頭及升降設備來采集輻射場功率信息和接收天線架設高度信息，給出地面散射影響程度與天線架設高度的關系，測試方式可分為定點測試和連續測試，定點測試方式在采集功率信息的同時人工判讀給出高度信息，此種方式缺乏測試連續性，測試效率較低；連續測試方式可連續實時采集升降設備升降過程中的功率信息，但無法實時獲取高度信息。因此傳統的地面散射測試方式無法實時連續采集功率信息與高度信息，測量效率較低，且采樣點數較少。本文的研究目標是利用可移動升降裝置，以激光測距傳感器、功率計探頭作為數據采集設備，研制一套地面散射測試系統，實現輻射場功率信息與位置信息的同步采集[2]，提高地面散射測試效率。

1 測試系統結構設計

整個測試系統由3個模塊組成，分別為硬件采集模塊、軟件處理模塊和圖形化顯示模塊。硬件采集模塊作為輸入接口負責物理量的采集與解析；軟件處理模塊作為運算核心負責組織接收解析數據并進行同步處理；圖形化交互界面作為人機交互平臺負責顯示系統狀態、測試結果以及控制指令發送。系統組成及模塊間關系如圖1所示。

圖1 系統組成及模塊間關系示意圖

1.1 硬件采集模塊

硬件采集模塊由功率測量設備和距離測量設備組成，主要實現對輻射場功率信息及測量點所在位置信息的數據采集，外部硬件采集設備具備信號處理功能，并轉換為電信號以USB/RS-232串口等接口定義將數據傳輸至軟件處理模塊，如圖2所示。

圖2 硬件采集模塊組成示意圖

1.2 軟件處理模塊

軟件處理模塊基于G語言開發環境，編程實現了對硬件采集模塊的控制，該模塊具備了對兩路測量數據同步接收[3]、實時保存的功能，同時將所采集的兩路數據做進一步優化處理，并繪制功率-位置信息關系曲線，如圖3所示。

圖3 軟件處理模塊組成示意圖

1.3 圖形化交互界面

圖形化交互界面主要實現系統各模塊狀態與測量信息顯示，以及提供用戶對測試數據分析和對采集設備控制的操作平臺，分為數據采集區、狀態顯示區、測量控制區、處理顯示區4個功能區域，如圖4所示。

圖4 交互界面示意圖

數據顯示區域主要顯示兩路相互獨立的外部測量設備數據采集結果，得出測量幅值與采樣點數的關系曲線，主要功能為監測外部采集設備數據采集狀態是否正常；狀態顯示區域主要顯示兩路外測設備的工作狀態，包括激光測距傳感器串口配置狀態、功率計測量配置參數顯示、校準狀態顯示、當前兩路外測設備采集數據實時顯示等功能；測量控制區域是整個測試系統的核心控制區域，主要有外測設備測試模式設置、參數配置、開關控制、測試系統初始條件設置等功能；數據分析區域是整個測試系統的測試結果顯示分析區域，顯示形式為兩路數據經同步優化處理后的功率-位置信息關系曲線。

2 測試系統組成與實現

2.1 硬件采集模塊組成

在硬件采集模塊中，功率測量設備為功率計探頭，可實現頻率范圍50 MHz～18 GHz、功率范圍-60 dBm～+20 dBm的信號測量，其供電及數據傳輸共用一個USB接口；距離測量設備為激光測距傳感器，最大測量距離可達60 m，具備單點測量和連續測量功能，供電方式為12～18 V直流供電，數據接口為串口RS-232協議，硬件采集模塊設備如圖5所示。

圖5 硬件采集設備實物圖

2.2 測試系統軟件數據同步采集流程

系統軟件同步采集流程如圖6所示，在進行同步測量前需對兩路外測設備進行串口參數、測量參數進行配置，確保設備與上位機連接并且工作正常。根據設備通訊協議在測量控制區發送相應的控制指令，并實時接收外部采集設備的回饋指令，從中解析測量數據。測量開始后，軟件進入同步測量循環進行兩路數據的同步接收，在數據采集區繪制硬件采集模塊各路測量值與采樣點的關系圖，在處理顯示區繪制處理后的功率-位置信息關系曲線，在狀態顯示區實時顯示外部硬件采集設備數據采集及工作狀態[3]，同時將采集的數據以文本形式實時保存，用于后期進一步分析。

圖6 軟件數據同步采集流程圖

2.3 數據同步采集特性分析

在圖6所示的軟件同步采集流程中，進入測量循環的觸發條件為上位機(控制計算機)是否接收到測距傳感器上傳的高度數據，即每當上位機接收到高度數據時，功率計探頭被控制觸發進入測量模式，經時間Tp功率測量完畢并轉化為數字信號上傳至上位機，兩路數據上傳至上位機的時間關系如圖7所示，此時上位機接收到的高度數據和功率數據將被認為是兩路同步數據。

圖7 兩路同步數據采集時間關系圖

其中，Th為激光測距傳感器測量周期，Tp為進行一側功率測量所用的時間，兩者需滿足Tp

在連續波信號測量模式中，功率計探頭完成一次功率測量所用的時間Tp是由采樣點積分時間t和平均濾波個數N所決定的，當設置單個采樣點的積分時間為t=6 ms、平均濾波個數N=8個時，那么完成一次功率測量需要的時間為：

Tp=2×N×(t+0.3)+1.6=97.808 ms

(1)

上位機接收兩路數據的時間差ΔT即可認為是同步時間精度，可概括為：

ΔT=Tp

(2)

綜上所述，同步測試系統采樣周期T=Th，即激光測距傳感器數據采集周期確定了同步測試系統的測試周期；兩路數據在時間上的同步精度ΔT=Tp，即功率計探頭完成一次功率測量所用的時間可確定測試系統的時間同步精度。且必須滿足Tp

T=n·Th

(3)

2.4 連續波信號注入實驗

為了驗證軟件對儀器控制的可行性，在室內開展了連續波信號注入實驗，即功率信息直接由信號源輸出，如圖8所示。

圖8 室內連續波信號注入實驗

2.4.1 實驗準備

功率信號源為安捷倫E8257D信號源，通過R&S-Z81功率計探頭與信號源直連實現微波信號注入，激光測距傳感器由12V直流電壓源供電，兩路采集設備分別通過USB接口、串口RS-232接口與控制計算機相連，在控制計算機中運行同步測試軟件并對接入的兩種測量設備進行分別端口配置，實現控制計算機對兩路外測設備的通訊連接及參數設置。其中，激光測距傳感器需要進行開機、關機、連續測量、單次測量等功能控制；功率計探頭需要進行頻率選擇、積分時間、平均濾波個數、校準等參數設置。

2.4.2 參數配置

在開展同步測試前需對參數進行配置，確保儀器設備正常工作及采集數據符合測試要求，實現精確、有效的地面散射同步測試。

(1)信號源：工作模式為連續波輸出、輸出頻率為9.7GHz、初始輸出幅值為-20dBm。

(2)功率計探頭：測量頻率設置要求與信號源輸出頻率始終保持一致，積分時間為3ms，濾波個數為8。確保單次測量時間在100ms以內，即優于10Hz的同步采集頻率，設置完成后需進行校零。

(3)激光測距傳感器：開機進入連續測量模式。

2.4.3 注入實驗

參數配置完成后，信號源開啟信號輸出，打開激光測距傳感器并控制選擇連續測量模式，開啟“開始采集”按鈕，同步測試開始。利用反光板反射激光輔助測距傳感器測距，手持反光板由近至遠移動模擬測量點的上升過程；控制信號源輸出幅值在-20～-10dBm之間平穩變化，模擬測量點在上升過程中的地面散射影響。

同步測試系統實時對兩路外測設備采集及同步處理后數據進行顯示與保存，保存的數據文本格式如圖9所示。實驗結果表明，同步測試軟件可對激光測距傳感器及功率計探頭進行有效的遠程控制，并能夠將儀器設備下傳的測量數據實時處理及顯示。

圖9 測量數據文本保存格式

通過注入試驗驗證，系統實現了測試軟件對激光測距傳感器及功率計探頭的遠程控制，并能夠將儀器設備下傳的測量數據實時處理及顯示，具備了開展地面散射同步測試條件。

3 X波段連續波地面散射驗證實驗

3.1 地面散射特性理論分析[4]

為分析比較測試系統的可靠性，需對地面散射特性進行分析，在存在地面電磁散射場影響條件下，接收點處的電場主要由直達波和地面散射場構成，如圖10所示。

圖10 觀察點處的電場主要組成

圖10中P為發射天線，P′為P的鏡像，Q為接收天線。發射天線架設高度為h1，接收天線架設高度為h，發射和接收天線的架設距離為d，φ角為入射角，L1為直達波電波傳播行程，L2為反射波電波傳播行程，入射波波長λ。入射電磁波表達式為:

E=E0cos(ωt-kd)

(3)

根據場疊加原理，觀察點總場E表達式為：

(4)

(5)

將式(5)上下兩式相減，則可以推導出：

(L2-L1)·(L2+L1)=4h·h1

(6)

當測試距離較遠且天線架設高度較低時，假定L1≈L2≈d，那么式(6)可以進一步簡化為：

(7)

接收點高度上散射影響曲線對應的振蕩周期即為反射波直達波波程差為λ時接收點垂直高度差，有如下表達式：

(8)

將式(8)上下兩式相減，得到接收點高度上散射影響振蕩曲線對應的變化周期表達式如下：

(9)

3.2 室內連續波地面散射分析驗證實驗

為了驗證同步測試系統的功能性，展開了室內輻射場地面散射實驗，與注入法比較，此次實驗加入、液壓升降平臺、X波段角錐喇叭天線，其中，發射端天線經射頻線纜與X波段寬帶功率放大器相連，放大器再與信號源相連，并由天線支架置于某一固定高度；接收天線置于液壓升降平臺頂端，經波同轉換與功率計探頭連接，激光測距傳感器安裝在液壓升降平臺中部，口面朝上，平臺頂部安裝反光板輔助激光測距傳感器測距，其余連接方式按注入法實驗連接。測試系統布局和現場試驗照片如圖11所示。

圖11 X波段連續波輻射場地面散射實驗

根據以上實驗條件搭建測試系統，控制液壓升降桿平穩升降，打開同步測試軟件，設置初始條件，點擊“開始采集”按鈕，數據開始同步采集并實時保存，測試結果如圖12所示。分別在測量頻率9.44GHz、10GHz，發射天線架高1.69m、1.2m，收發天線18m、30m的條件下進行。其中，系統實驗條件如表1所示。通過調用儲存好的實測數據與經MATLAB按雙射線法計算的理論數據進行比較，對比結果如圖13所示，其中f為信號頻率，d為收發天線水平間距，h為發射天線架高。

圖12 測試系統軟件顯示界面

名稱參數設置E8257D信號源頻率：9～10GHz模式：連續波幅值：+16dBmX波段寬帶放大器增益：40dB激光測距傳感器架高：0．85m采樣頻率：10Hz供電：12VDC液壓升降桿供電：24VDC升降高度：1．7m～2．6m升降速度：≈0．01m/sR&S-Z81功率計探頭積分時間：6ms濾波個數：8收發天線增益：12dB發射天線架高：1．69m(1．2m)收、發天線水平距離：18m(30m)

通過調用軟件所實時保存的測試數據，計算得出實際測量的地面散射周期，與理論周期作比較結果如表2所示。

圖13 實測結果與理論值對比圖

序號實測周期/m理論周期/m(a)0．280．28(b)0．390．40(c)0．170．17(d)0．160．16

以上結果基本滿足地面散射高度周期：

其中:λ為信號波長，散射影響與理論計算值相近，以上數據驗證了同步測試系統的功能性及可靠性。

4 結論

基于G語言開發環境，研制了一套可用于地面散射特性分析的同步測試系統。完成了同步測試系統平臺的搭建，并開展地面散射測試對測試系統的功能性與可靠性進行了驗證，實驗結果表明：

(1)該系統可用于小功率信號地面散射測試，具備實時同步測試功能，測試結果與理論計算基本一致。

(2)系統時間同步精度可達10ms，同步精度上限取決于功率測量設備單點測量時間。

(3)同步測試頻率可達10Hz，頻率上限取決于距離測量設備最高采樣率。

[1] 閆軍凱，劉小龍，葉 虎,等.X波段高功率微波饋源輻射總功率陣列法測量技術[J]. 強激光與粒子束,2011,23(11)：3150-3152.

[2] 楊樂平，李海濤，楊 磊.LabVIEW程序設計與應用(第2版)[M]. 北京：電子工業出版社，2005,1.

[3] 楊旭東，徐海亭，王 俊. 基于LabVIEW被動接收型串口通信數據采集系統[J]. 計算機與現代化, 2013,11：101-103.

[4] 蔣廷勇，高 林，劉小龍，等. 抑制地面反射影響的高功率微波輻射場測量方法[J]. 強激光與粒子束, 2015,27(12)：123007-2.

A Synchronous Measurement System Designed for Ground Scattering Characteristics Analysis

Xu Minjie，Zhang Yongdong，Zhai Jiaqi，Zhang Yu，Yin Peng

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China )

The Article introduces a set of synchronous measurement system for the ground scattering characteristics which is based on the G language development environment and takes laser range finder and power meter as the external acquisition equipment . The system that contains the information processing part for the power of radiated field and the height of receiving antenna can give the ground scattering coefficients quickly and high precision. In order to verify the reliability of this system, the experiment for ground scattering has been carried out. The results show that measured scattering coefficients agree with the given model.

ground scattering; synchronous; adaptive; measurement system

2016-12-13；

2017-01-05。

徐敏杰(1992-)，男，上海人，助理工程師，主要從事儀器控制方向的研究。

1671-4598(2017)05-0083-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.023

TP3

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